CN106814243B - 城市电缆线路接地环流在线监测装置 - Google Patents

Abstract

城市电缆线路接地环流在线监测装置属于电缆在线监测技术领域，尤其涉及一种城市电缆线路接地环流在线监测装置。本发明提供一种效率高、供电方便、工作稳定的城市电缆线路接地环流在线监测装置。本发明包括电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块和电源模块，其结构要点电缆接地电流信号与电流采集模块连接；电流采集模块与信号分析处理模块连接；信号分析处理模块与无线通信模块连接；电源模块为电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块供电；所述电流采集模块包括A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路和模数转换器。

Description

城市电缆线路接地环流在线监测装置

技术领域

本发明属于电缆在线监测技术领域，尤其涉及一种城市电缆线路接地环流在线监测装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，电力电缆的应用越来越广泛，在一些较大的城市，高压电缆大规模地铺设在地下的电缆隧道里，肩负着城市电力输送的任务。然而，在实际的应用过程中，高压电缆的故障率却始终较高，为了解决这一问题，确保电缆安全稳定地运行，国家电网公司要求每月对电缆的接地环流进行一次测量。由于城市电缆大多铺设在地下的电缆隧道里，并且铺设距离长，接地点多，使得测量工作异常辛苦和繁琐，给运检单位带来了巨大的负担。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种效率高、供电方便、工作稳定的城市电缆线路接地环流在线监测装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块和电源模块，其结构要点电缆接地电流信号与电流采集模块连接；电流采集模块与信号分析处理模块连接；信号分析处理模块与无线通信模块连接；电源模块为电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块供电。

所述电流采集模块包括A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路和模数转换器，A相电流采集电路的输出端口、B相电流采集电路的输出端口、C相电流采集电路的输出端口、N相电流采集电路的输出端口分别与所述模数转换器的输入端口相连，A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路均包括电流互感器、保护电路和运算放大器，电流互感器与保护电路连接；保护电路与运算放大器连接。

所述信号分析计算模块包括存储电路、看门狗电路、实时时钟电路、处理器，存储电路、看门狗电路、实时时钟电路分别与处理器连接。

所述无线通信模块包括无线通信控制器、编码器、缓冲器、调制器和天线；无线通信控制器与编码器连接；编码器与缓冲器连接；缓冲器与调制器连接；调制器与天线连接。

所述电源模块包括取能互感器、前置电路、整流滤波电路、电源管理电路、直流电压转换器、充电管理电路和蓄电池；取能互感器与前置电路连接；前置电路与整流滤波电路连接；整流滤波电路与电源管理电路连接；电源管理电路分别与直流电压转换器和充电管理电路连接；充电管理电路与蓄电池连接；蓄电池与直流电压转换器连接。

作为一种优选方案，本发明所述电流采集模块负责对A、B、C、N四相接地电流信号进行同步采集，采集后的结果传递给信号分析处理模块；信号分析处理模块负责对数据进行分析和计算，得到A、B、C、N四相接地电流的幅值以及采集时刻的初始相位，并将计算结果传递到无线通信模块；无线通信模块将收到的数据无线发送到后台。

作为另一种优选方案，本发明所述电流互感器为KHCT-200A/100MA开口电流互感器，所述运算放大器为OP07DP可编程运算放大器，所述模数转换器为AD7606模数转换器，所述处理器电路选用Cortex-M3内核处理器；所述无线通信模块采用433MHz无线通信。

作为另一种优选方案，本发明所述电流互感器负责获取电缆接地电流信号，并将信号传递给保护电路；保护电路负责消除过电压和过电流，并将信号传递给运算放大器，运算放大器对信号进行滤波和放大，并将调理好的信号传递给模数转换器，模数转换器将多路模拟信号同步转成数字信号，并传递给信号分析计算模块。

作为另一种优选方案，本发明所述存储电路用于保存装置的配置参数和装置监测到的数据；看门狗电路负责监测处理器的运行状态，当处理器没有响应时，看门狗电路给处理器复位；实时时钟电路提供时间；处理器通过对数据分析和计算得到四相接地电流的幅值和相位。

作为另一种优选方案，本发明所述无线通信控制器完成对数据的封包、寻址、流量控制以及校验；编码器用于对数据编码加密；缓冲器用于驱动信号；调制器用于调制信号；天线用于增强信号强度。

作为另一种优选方案，本发明所述取能互感器从一次侧获取电能，在二次侧产生感应电压；前置电路抑制过电压；整流滤波电路对感应电压进行整流和滤波，之后交给电源管理电路；电源管理电路对电源进行电压幅度调节、输出电流控制、以及纹波处理，充电管理电路对蓄电池充电；直流电压转换器将电源管理电路输出的直流电压或者蓄电池的直流电压转换成所需要的电压。

作为另一种优选方案，本发明所述分析和计算包括以下步骤。

步骤一：判断接收到的数据是否完整，如果数据完整则进入步骤二；如果不完整，则舍弃本次采集的全部数据，并等待接收新的数据。

步骤二：对数据进行快速傅里叶变换，得到四路电流的幅值和相位，之后进入步骤三。

步骤三：对电流幅值进行判断，如果超过警告阈值，则进入步骤四；如果超过报警阈值则进入五；否则进入步骤六。

步骤四：发出警告通知，同时保存此刻的异常电流幅值，之后进入步骤六。

步骤五：发出报警通知，同时保存此刻的异常电流幅值，之后进入步骤六。

步骤六：定期向后台发送监测数据，定期在本地保存监测数据，之后进入步骤一。

其次，本发明所述保护电路和运算放大器包括双二极管BAT54S V1，V1的1脚与-5V相连，V1的2脚与5V相连，V1的3脚分别与电流互感器输出端、TVS二极管T2一端、5欧电阻R20一端、1K欧电阻R15一端相连，T2另一端分别与地线、R20另一端、1.5K欧电阻R22一端相连，R22另一端分别与双二极管BAT54S V5的2脚、V 5的1脚、运放OP07DP U11的3脚相连，U11的2脚分别与V5的3脚、R15另一端、4.02欧电阻R1一端相连，R1另一端分别与U11的6脚、模数转换器的输入端口相连。

另外，本发明所述处理器采用LPC1768芯片U4，U4的22脚分别与12M晶振Y1的2脚、22pF电容C15一端相连，C15另一端分别与地线、22pF电容C16一端相连，C16另一端分别与Y1的1脚、U4的23脚相连。

本发明有益效果。

本发明采用电磁感应取能和无线通信技术，配备精密采集电路，具有易安装、免维护、安全、稳定的特点，可大大提高电缆接地环流的监测效率，减少巡检工作量。

本发明适用于各电压等级的城市线缆接地环流的在线监测。

本发明具有数据采集、数据本地存储以及远程无线通信等功能，采用电磁感应取能的方式供电。

本发明通过取能互感器从高压电缆感应获得电能，当高压电缆电力充足时，取能互感器可直接给监测装置供能，并给蓄电池充电；当电力不足或无电时，蓄电池为监测装置供电，从而实现了为监测装置持续、不间断地供电。电磁感应取能的供电方式有效克服了电缆隧道中没有配备标准弱电电源的难题，又实现了监测装置与强电线路的电气隔离，提高了装置的抗电磁干扰能力。

本发明通过运放、模数转换器，实现了信号的精确采集。

本发明可实现远程监视与故障预测；加快城市电缆接地故障的判断速度和精度；减少了监测费用，减轻了监测人员的工作负担。本发明城市电缆线路接地环流在线监测装置具有较大的经济效益和社会意义。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明的整体结构框图。

图2是本发明的电流采集模块结构框图。

图3是本发明的信号分析计算模块结构框图。

图4是本发明的无线通信模块结构框图。

图5是本发明的电源模块结构框图。

图6是本发明的保护电路和运算放大器电路原理图。

图7、8是本发明的处理器部分原理图

图1-5中，电流采集模块1，信号分析计算模块2，无线通信模块3，电源模块4，电流互感器5，保护电路6，运算放大器7，模数转换器8，存储电路9，看门狗电路10，实时时钟电路11，处理器12、无线通信控制器13、编码器14、缓冲器15、调制器16、天线17、取能互感器18、前置电路19、整流滤波电路20、电源管理电路21、直流电压转换器22、充电管理电路23、蓄电池24。

具体实施方式

如图所示，本发明包括电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块和电源模块，电缆接地电流信号与电流采集模块连接；电流采集模块与信号分析处理模块连接；信号分析处理模块与无线通信模块连接；电源模块为电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块供电。

所述电流采集模块包括A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路和模数转换器，A相电流采集电路的输出端口、B相电流采集电路的输出端口、C相电流采集电路的输出端口、N相电流采集电路的输出端口分别与所述模数转换器的输入端口相连，A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路均包括电流互感器、保护电路和运算放大器，电流互感器与保护电路连接；保护电路与运算放大器连接。

所述信号分析计算模块包括存储电路、看门狗电路、实时时钟电路、处理器，存储电路、看门狗电路、实时时钟电路分别与处理器连接。

所述无线通信模块包括无线通信控制器、编码器、缓冲器、调制器和天线；无线通信控制器与编码器连接；编码器与缓冲器连接；缓冲器与调制器连接；调制器与天线连接。

所述电源模块包括取能互感器、前置电路、整流滤波电路、电源管理电路、直流电压转换器、充电管理电路和蓄电池；取能互感器与前置电路连接；前置电路与整流滤波电路连接；整流滤波电路与电源管理电路连接；电源管理电路分别与直流电压转换器和充电管理电路连接；充电管理电路与蓄电池连接；蓄电池与直流电压转换器连接。

所述电流采集模块负责对A、B、C、N四相接地电流信号进行同步采集，采集后的结果传递给信号分析处理模块；信号分析处理模块负责对数据进行分析和计算，得到A、B、C、N四相接地电流的幅值以及采集时刻的初始相位，并将计算结果传递到无线通信模块；无线通信模块将收到的数据无线发送到后台。

所述电流互感器为KHCT-200A/100MA开口电流互感器，所述运算放大器为OP07DP可编程运算放大器，所述模数转换器为AD7606模数转换器，所述处理器电路选用Cortex-M3内核处理器；所述无线通信模块采用433MHz无线通信。433MHz无线通信功耗低，只有在有数据收发的时候才会建立无线链路。433MHz无线通信频率相对较低，电磁波的衍射性好，能够很好地绕过障碍物，非常适合应用在地下电缆隧道内通信。

OP07DP可编程运算放大器具备低温漂、低偏移、低噪声的特点，能够对信号进行有效滤波和精准放大，并将调理好的高质量信号传递给模数转换器。

KHCT-200A/100MA开口电流互感器具有高线性度、高精度的优点。

AD7606模数转换器具备差分、同步、低失真率、高分辨率的特点，能够将多路模拟信号同步转成数字信号，并传递给信号分析计算模块。

处理器电路选用Cortex-M3内核的高性能处理器，适合高集成度、低功耗的应用，处理器通过对数据分析和计算得到四相接地电流的幅值和相位。

所述电流互感器负责获取电缆接地电流信号，并将信号传递给保护电路；保护电路负责消除过电压和过电流，并将信号传递给运算放大器，运算放大器对信号进行滤波和放大，并将调理好的信号传递给模数转换器，模数转换器将多路模拟信号同步转成数字信号，并传递给信号分析计算模块。

所述存储电路用于保存装置的配置参数和装置监测到的数据；看门狗电路负责监测处理器的运行状态，当处理器没有响应时，看门狗电路给处理器复位；实时时钟电路提供时间；处理器通过对数据分析和计算得到四相接地电流的幅值和相位。

所述无线通信控制器完成对数据的封包、寻址、流量控制以及校验；编码器用于对数据编码加密；缓冲器用于驱动信号；调制器用于调制信号；天线用于增强信号强度。

所述取能互感器从一次侧获取电能，在二次侧产生感应电压；前置电路抑制过电压；整流滤波电路对感应电压进行整流和滤波，之后交给电源管理电路；电源管理电路对电源进行电压幅度调节、输出电流控制、以及纹波处理，充电管理电路对蓄电池充电；直流电压转换器将电源管理电路输出的直流电压或者蓄电池的直流电压转换成所需要的电压。

所述分析和计算包括以下步骤。

步骤一：判断接收到的数据是否完整，如果数据完整则进入步骤二；如果不完整，则舍弃本次采集的全部数据，并等待接收新的数据。

步骤二：对数据进行快速傅里叶变换，得到四路电流的幅值和相位，之后进入步骤三。

步骤三：对电流幅值进行判断，如果超过警告阈值，则进入步骤四；如果超过报警阈值则进入五；否则进入步骤六。

步骤四：发出警告通知，同时保存此刻的异常电流幅值，之后进入步骤六。

步骤五：发出报警通知，同时保存此刻的异常电流幅值，之后进入步骤六。

步骤六：定期向后台发送监测数据，定期在本地保存监测数据，之后进入步骤一。

所述保护电路和运算放大器包括双二极管BAT54S V1，V1的1脚与-5V相连，V1的2脚与5V相连，V1的3脚分别与电流互感器输出端、TVS二极管T2一端、5欧电阻R20一端、1K欧电阻R15一端相连，T2另一端分别与地线、R20另一端、1.5K欧电阻R22一端相连，R22另一端分别与双二极管BAT54S V5的2脚、V 5的1脚、运放OP07DP U11的3脚相连，U11的2脚分别与V5的3脚、R15另一端、4.02欧电阻R1一端相连，R1另一端分别与U11的6脚、模数转换器的输入端口相连。电流信号通过端子P3接入电路板，电阻R20起到I/V变换的作用，将电流信号转换成电压信号。电阻R15、电阻R1和运放U11组成了反比例放大电路，对电压信号进行放大处理。其中T2是瞬变电压抑制二极管，V1和V2是肖特基二极管，这三个器件起到保护运放的作用。

所述处理器采用LPC1768芯片U4，U4的22脚分别与12M晶振Y1的2脚、22pF电容C15一端相连，C15另一端分别与地线、22pF电容C16一端相连，C16另一端分别与Y1的1脚、U4的23脚相连。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.城市电缆线路接地环流在线监测装置，包括电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块和电源模块，其特征在于电缆接地电流信号与电流采集模块连接；电流采集模块与信号分析处理模块连接；信号分析处理模块与无线通信模块连接；电源模块为电流采集模块、信号分析处理模块、无线通信模块供电；

所述电流采集模块包括A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路和模数转换器，A相电流采集电路的输出端口、B相电流采集电路的输出端口、C相电流采集电路的输出端口、N相电流采集电路的输出端口分别与所述模数转换器的输入端口相连，A相电流采集电路、B相电流采集电路、C相电流采集电路、N相电流采集电路均包括电流互感器、保护电路和运算放大器，电流互感器与保护电路连接；保护电路与运算放大器连接；

所述信号分析处理模块包括存储电路、看门狗电路、实时时钟电路、处理器，存储电路、看门狗电路、实时时钟电路分别与处理器连接；

所述无线通信模块包括无线通信控制器、编码器、缓冲器、调制器和天线；无线通信控制器与编码器连接；编码器与缓冲器连接；缓冲器与调制器连接；调制器与天线连接；

所述电源模块包括取能互感器、前置电路、整流滤波电路、电源管理电路、直流电压转换器、充电管理电路和蓄电池；取能互感器与前置电路连接；前置电路与整流滤波电路连接；整流滤波电路与电源管理电路连接；电源管理电路分别与直流电压转换器和充电管理电路连接；充电管理电路与蓄电池连接；蓄电池与直流电压转换器连接；

所述电流采集模块负责对A、B、C、N四相接地电流信号进行同步采集，采集后的结果传递给信号分析处理模块；信号分析处理模块负责对数据进行分析和计算，得到A、B、C、N四相接地电流的幅值以及采集时刻的初始相位，并将计算结果传递到无线通信模块；无线通信模块将收到的数据无线发送到后台；

所述电流互感器为KHCT-200A/100MA开口电流互感器，所述运算放大器为OP07DP可编程运算放大器，所述模数转换器为AD7606模数转换器，所述处理器选用Cortex-M3内核处理器；所述无线通信模块采用433MHz无线通信；

所述电流互感器负责获取电缆接地电流信号，并将信号传递给保护电路；保护电路负责消除过电压和过电流，并将信号传递给运算放大器，运算放大器对信号进行滤波和放大，并将调理好的信号传递给模数转换器，模数转换器将多路模拟信号同步转成数字信号，并传递给信号分析计算模块；

所述存储电路用于保存装置的配置参数和装置监测到的数据；看门狗电路负责监测处理器的运行状态，当处理器没有响应时，看门狗电路给处理器复位；实时时钟电路提供时间；处理器通过对数据分析和计算得到四相接地电流的幅值和相位；

所述无线通信控制器完成对数据的封包、寻址、流量控制以及校验；编码器用于对数据编码加密；缓冲器用于驱动信号；调制器用于调制信号；天线用于增强信号强度；

所述取能互感器从一次侧获取电能，在二次侧产生感应电压；前置电路抑制过电压；整流滤波电路对感应电压进行整流和滤波，之后交给电源管理电路；电源管理电路对电源进行电压幅度调节、输出电流控制、以及纹波处理，充电管理电路对蓄电池充电；直流电压转换器将电源管理电路输出的直流电压或者蓄电池的直流电压转换成所需要的电压；

所述分析和计算包括以下步骤：

步骤一：判断接收到的数据是否完整，如果数据完整则进入步骤二；如果不完整，则舍弃本次采集的全部数据，并等待接收新的数据；

步骤二：对数据进行快速傅里叶变换，得到四路电流的幅值和相位，之后进入步骤三；

步骤三：对电流幅值进行判断，如果超过警告阈值，则进入步骤四；如果超过报警阈值则进入五；否则进入步骤六；

步骤四：发出警告通知，同时保存此刻的异常电流幅值，之后进入步骤六；

步骤五：发出报警通知，同时保存此刻的异常电流幅值，之后进入步骤六；

步骤六：定期向后台发送监测数据，定期在本地保存监测数据，之后进入步骤一；

所述保护电路和运算放大器包括双二极管BAT54S V1，V1的1脚与-5V相连，V1的2脚与5V相连，V1的3脚分别与电流互感器输出端、TVS二极管T2一端、5欧电阻R20一端、1K欧电阻R15一端相连，T2另一端分别与地线、R20另一端、1.5K欧电阻R22一端相连，R22另一端分别与双二极管BAT54S V5的2脚、V 5的1脚、运放OP07DP U11的3脚相连，U11的2脚分别与V5的3脚、R15另一端、4.02欧电阻R1一端相连，R1另一端分别与U11的6脚、模数转换器的输入端口相连；

所述处理器采用LPC1768芯片U4，U4的22脚分别与12M晶振Y1的2脚、22pF电容C15一端相连，C15另一端分别与地线、22pF电容C16一端相连，C16另一端分别与Y1的1脚、U4的23脚相连。